U.D.C.る21.3.045.048.81:占21.315.る13.1
回転機マイカ絶縁の最近の進歩
Recent
Development
of
Micalnsulation
for
Large
Rotati11g
Machines
大形発電機用高電圧固定イ･コイルや核融合装置用j滋場発生コイルの絶縁には,電 気的特性と機械的特性が共に優れているエポキシマイカ絶縁が採用される｡この論 文では高圧固定子コイルの絶縁方式として実績のある｢スⅦパハイレジン+と｢ハイモ ールド+の2方式に加えて,新たに耐ひずみ性の優れたプリプレグ絶縁として開発し たフレークマイカプリプレグ絶縁方式の,それぞれの特長について述べる｡ また最新の技術として,特殊な電圧波形が加わる核融合装置用コイルに対する, 周波数非線形抵抗特性をもつSiC塗料によるコロナシールド方式,マイカ絶縁コイ ルの絶縁劣化診断及び零位法による平行コイル間電位分布測定について紹介する｡ l】
緒
言 日立製作所では大形発電機用高圧固定子コイルの絶縁方式 として,真空加圧注入方式では｢ハイレジン+と｢スーパハイ レ ジン+を,またプリプレグ絶縁方式では｢ハイモールド+をそれ ぞれ実用化し優れた実績を得てきた｡1卜3)これらの絶縁は, レジンとして電気的･機械的特性の優れたエポキシレジンを 採用し,マイカテープとしては,｢ハイレジン+ではフレーク マイカを,｢スーパハイレジン+ではフレークマイカと集成マ イカとを併用している｡マイカは耐コロナ性と機械強度が極 めて優れており,高度の信頼性が要求される大形発電機や核 融合装置の絶縁には不可欠な材料である｡ 集成マイカは,大きなフレークにできないマイカ鉱石を粉 砕し抄造したシートであるが,省資手原化に適し均質性ではフ レークマイカに勝っている｡しかし,絶縁層に非常に大きな ひずみ(あるいは応力)が加わった場合のタフネスでは,フレ ークマイカのほうが勝っており,均質性とタフネスの長所を 組み合わせる方法として｢スーパハイレジン+の併用絶縁方式 が考えられた｡ 先に大形発電機用高圧固定子コイル絶縁の;梓釆方向として, プリプレグ適用方式の拡大を提唱したが,4)更に最近での核融 合装置の大形環状コイルでは,真空加圧注入方式は設備的に 適用が困難であり,プリプレグ方式を採用せぎるを得ない｡ プリプレグ絶縁でのマイカテープは大部分が集成マイカであ るため,その絶縁層はタフネスの点ではいくぶん劣る｡大形 発電機用高圧固定子コイルの絶縁方式としては十分な信頼性 があるが,一般に核融合装置用コイルの絶縁層に繰り返し加 わるひずみは,大形発電機の固定子コイルに短絡時に加わる 最大ひずみの約2倍が想定されるため,新たにフレークマイ カプリプレグ絶縁方式を開発した｡この方式は,従来の集成 マイカプリプレグとフレークマイカプリプレグとを併用した 新絶縁方式であり,均質性とタフネスを兼備し,核融合装置 の大形環状コイルに好適な絶縁方式である｡ 核融合装置用磁場発生コイルには,運転時で電圧立_とり時 間が数マイクロ秒から数ミリ秒の範囲に及ぶ様々な波形の電 圧が加わる｡コイルの接糸売部での沿面クリープ破壊をド方止す るため,この範囲の電圧波形に共通して有効な周波数非線形抵抗特性をもつシリコンカーバイド(SiC)塗料によるコロナ
門谷建蔵* 〟αd｡加よ∬e几Z∂ 安芸文武** Aん∼凡m加太e 松延謙次*** 肋∼s以氾｡ム以方即り∫ 市野沢晴孝****J｡九加5｡丁和仏r以∫｡丘｡ シールド方式を見いだした｡またマイカ絶縁層の絶縁劣化診 断に関して,コイルの平部と角部に独立した分割電極を設け て一連の実験を行ない,劣化のメカニズムや診断の可能性に ついての知見が得られた｡以下にこれらの最新の技術を紹介 して参考に供したい｡ 囚フレークマイカプリプレグ絶縁
｢スーパハイレジン+絶縁と｢ハイモールド+絶縁,及び新た に開発したフレークマイカプリプレグ絶縁のそれぞれの特長 を,コイルの曲げひずみと絶縁特性の関係から述べる｡ 11kV級モテリレバーコイルに区11に示す4点曲げ負荷を加え, 曲げひずみによる』tan∂〔定格電圧と2kVでのtan∂(誘電正 接)の差〕の変化を示したのが図2である｡また,各10本のコ イルを供試し,曲げひずみと絶縁破壊電圧の傾向をみたのが 図3であるが,これらから次のことが分かる｡(1)｢スーパハイレジン+絶縁は,比較的小さいひずみから絶
縁劣化が起こり,絶縁層の均質性ではいくぶん劣るが,大き いひずみが加わっても絶縁破壊電圧のイ氏下は緩やかであり, タフネスの点で優れている｡(2)｢ハイモールド+絶縁は,小さいひずみが加わっても絶縁
劣化がほとんど起こらず,均質性の点で優れているが,非常 に大きいひずみが加わると著しく絶縁破壊電圧が低■Fし,タ フネスの点でいくぶん劣る｡ 250 主電極 550 ガード電極 コロナシールド 図l コイルの4点曲げ負荷法 主電極内(長さ300mm)の絶縁層には, ほぼ均一のひずみが加わる｡ * 日立製作所日立研究所 ** 日立製作所日立工場 *** 日立製作所日立工場工学博士 **** 日立化成工業株式会社山崎工場2.0
垂
∠て〉 旨1･0 ｢ ｢スーパハイレジン+ フレークマイカ プリプレグ絶縁1
′ /I′
′†
｢ハイモールド+ 0.1 0.2 0.3 曲げひずみ(%) 0.4 図2 コイルの曲げひずみとdtan∂ フレークマイカプリプレグ絶縁 層は,クラックやはく離を生いこくいことが分かる｡ ｢ハイモールド+ 0 ∩> 0 0 0 0 00 丘U 4 2 (訳)出伊野潜煙波叫_1_
†
､-､ ､､ ｢スーパハイレジン+ ､､ ､▲ヽ ､ヽ フレークマイカ プリプレグ絶縁 l l l 0 0.1 0.2 0,3 0.4 0,5 曲げひずみ(勿) 図3 コイルの曲げひずみと絶縁破壊電圧 ｢ハイモールド+は均質性 に優れ,｢スーパハイレジン+はタフネスに優れる｡フレークマイカプリプレグ 絶縁は,両方の特長をもつ｡(3)フレークマイカプリプレグ絶縁は,両者の中間の特性を
もっている｡すなわち,タフネスの点では｢ハイモールド+絶 縁よりも優れており,これはフレークマイカを使用している ためである｡また均質性の点では｢スーパハイレジン+絶縁よ りも優れており,これはプリプレグであるためマイカフレー クとレジンのぬれがよ く,界面の]安着が十分に行なわれてい るためと考えられる｡ このように,新たに開発したフレークマイカプリプレグ絶 縁方式は,フレークマイカのタフネスとプリプレグの均質性 とを兼備し,核融合装置用大形環状コイルの耐ひずみ性絶縁 として好適な絶縁方式である｡また,一般の大形発電機用コ イルへの適用も可能である｡ 忘l特殊電圧波形用コロナシールド方式
一般に回転機巻線端部での電界緩和用コロナシールドは, 50Hz交ラ充による耐電圧試験及び運転電圧を考えて,電圧線形 抵抗特性をもつ含鉄アスベストやカーボン塗料など,一最近で は電圧非線形抵抗特性をもつSiC塗料が用いられる｡またケ ーブルの端部などでのインパルス電圧に対するコロナシール ドは,抵抗値の低いカーボン塗料が用いられる｡ 電圧立上り時間が,数マイクロ秒から数ミリ秒の範囲に及 ぶ核声弛合装置の一遍場発生用コイルのコロナシールドを,従来 の方式で行なうには抵抗値を違えた3段以上の長いコロナシ ールドを設ける必要がある｡日立製作所及び日立化成工業株 式会社は,SiC塗料を用いた特殊なコロナシールド層が同音皮 数非線形抵抗特性をもち,電圧立上r=時間が失豆い電圧i皮形に 対しては抵抗値が低下して,電界緩和効果が広範囲に及ぶこ とを見いだした｡図4はSiC塗料によるコロナシールド層の インピーダンスの値と,その位相の周波数特性を示すもので ある｡位相がほぼ90度であることから,コロナシールド層の インピーダンスはほとんどがキャパシタンス分であり,高周 波(電圧立上り時間が短い)領域ではインピーダンスが著しく 低下していることが分かる｡ 図5はモテールコイルの表面に200mlnの距離をおいて電極を設 け,この間のクリープ破壊電圧を電圧立上り時間が1/∠S-5 msの間の電圧を印加して測定したものである｡一■方の電極の 端にSiC塗料によるコロナシールド層を長さJだけ設けてい るが,Jが長くなるにつれていずれの電圧i波形でもクリ廿プ 10 伸 び パリ O O l l l †■ (望代入軋1山人† 差 相 位 インピーダンス (電圧立上り時間) 10ms⊥⊥⊥
10 102 103 104 J(Hz) 1〃S⊥⊥_⊥
105 106 (軸)咄馨単 90 80 70 60 50 40 図4 SiCコロナシールド層の周波数特性 インピーダンスのほとん どがキャパシタンス分であり,高周波では著Lく低下する｡ 200 0 0 5 0 (ゞ三世伊部潜ト一っヘ恒額 50 50Hz(5ms)AC 200 0,1msサージ 1〟Sインパルス 0 50 100 コロナシールド長上(mm) 150 図5 SiCコロナシールドと治面クリープ破壊電圧 Si￣cコロナシ ールドは.電圧立上り時間l〝S∼5msの電圧波形に対し共通Lて効果がある｡回転機マイカ絶縁の最近の進歩 357 破壊電圧が向上している｡ このように,電圧立上り時間が広範囲に及ぶ特殊電圧波形
が加わる(例えば核融合装置用コイルなどの)新コロナシール
ド方式を開発した｡ ロマイカ絶縁層の絶縁劣化診断
4.1絶縁劣化診断の一般的方法 従来から発電機固定子巻線の絶縁劣化診断試験として,コ ロナ試験,tan∂試験,交流電流試験及び直流試験が一般的に 行なわれてきた｡これらの非破壊試験での測定値と絶縁破壊 電圧との相関が,コンパウンド絶縁巻線の場合には顕著であ り,｢発電機巻線絶縁劣化判定基準+(昭和42年)がまとめられ ている｡5)この基準は,あくまでもコンパウンド絶縁巻線を対 象とし,劣化判定に有用であった｡ しかし,不飽和ポリエステルレジン更にエポキシレジンに よる絶縁巻線に対しては,これらの非破壊試験による判定基 準の設定が困難であり,現在まだ決められていない｡レジン 絶縁巻線は運転中の絶縁劣化が少なく,非破壊測定値の変化 も小さいために,外部コロナやコロナシールド層の影響,絶 縁破壊電圧と直接関係のない特性上のばらつきなどに隠れて, 破壊電圧との相関がつけにくい｡6) 日立製作所及び日立化成工業株式会社はレジン絶縁巻線 に対する絶縁劣化診断の可能性をみるため,外部コロナやコ ロナシールド層の影響をガード電極で除き,また初期特性の ばらつきが比較的小さいモデルコイルを用いて理想的な状態 で一連の実験を行なった｡ 4.2 複合劣化コイルによる相関性の検討 11kV級｢スーパハイレジン+コイル12本を実験に供試し,表 1に示すような劣化を与えた｡これらの劣化コイルに対し表 2に示す非破壊測定を行なったのち,交享充短時間破壊試験を 実施した｡これらのデータを,非破壊測定値と破壊電圧の相 関としてプロットした｡図6に』tan∂(誘電正接の増加分)と 破壊電圧の関係を示すがあまり相関がない｡図7は常親電圧6.35kV(11/ノすkV)でのQmax(二最大コロナ電荷量)と破壊電圧
の関係であるが相互の相関はあまりない｡VZ(コロナ発生電圧)
は更に相関がなかった｡図8はAIA7)(AutomふticInsula-表IllkV級供試コイルの複合劣化条件 静的曲げひずみと課電の複 合劣化を加えた｡ コ イ ル 曲 げ ひ ず み 課 電 劣 化 No. (%) (kV一時間) l.2 3,4 35-100 5,6 30-100 7,8 0.10 30-100 9.10 0.10 25-100 ll,12 0.20 25-100 表2 非破壊測定項目 表lに示した劣化コイル(定格IlkV)に適用する｡ 項 目 測 定 内 容 』tan∂ 定格電圧亡でのtan∂と2kVのtan∂の差 リア 貴大コロナ電荷iがlX川一9c(クーロン)になる電圧 Omax 常規電圧亡/､/すでの最大コロナ電荷l m AIA(自動絶縁特性解析装置)による爪の値 0 0 0 0 0 9 8 7 (訳)出押鮮昏塘髭 ● ● ●● ● 0.5 1.0 』tan含(%) 1.5 図6 劣化コイルのdtan(ヲと絶縁破壊電圧 』tan∂と破壊電圧は.あ まり顕著な相関がみられない｡ 0 0 0 乃U O 9 8 7 (訳)増絆鮮澄渡濱 ● ● ● ● ● ● ● 2 3 鮎ax.(C) 4XlO{9 図7 劣化コイルのQmax(at6.35kV)と絶縁破壊電圧 Omaxと破壊 電圧は.あまり顕著な相関がみられない｡ 0 0 0 0 9 80 (訳)咄固辞鱒埜潜 70 1.00 1､01 1.02 1.03 1.04 ′柁(at‖kV) 図8 劣化コイルのm(atllkV)と絶縁破壊電圧 定格電圧IlkVのm と破壊電圧は相関がみられない｡mは交流印加電圧叫 電流Jとして.電流増加 傾向dJ/dVの変化を表わす｡低電圧での』J/』yをl.0としてその増加の傾向を示 している｡tion Analyser:自動絶縁特性解析装置)により測定したm(電 流増加傾向の増加倍数)の定格電圧での値であるが,これも相 関がみられない｡ AIAによる測定の長所は,非常に短時間(10∼20s)で測定 できるので,高電圧まで印加しても絶縁劣化が少ないことで ある｡7)そこで,耐電圧試験電圧の1.2倍に相当する30kVでの mを測定したところ,図9に示すような比較的良い相関がみ られた｡このように試験時間を極めて短くして,なるべく高 い電圧まで試験するということは,相関性の良い絶縁診断を 行なうアプローチの一つである｡しかし,試験による絶縁劣 化の進行がないよう,印加電圧は慎重に決める必要がある｡ 4.3 分割電極による検討 コイルに曲げひずみを加えて,平部と角部の絶縁層の特性 変化を検討した結果は既に述べた｡8)ここで用いた分割電極法 により絶縁診断の可能性を検討した｡図川に分割電極を示す｡ 図Itは11kV級｢スーパハイレジン+コイル10本の初期でのtan∂ のばらつき幅を示す｡平部の特性はばらつきが小さいが,角 0 0 0 0 9 8 (訳)坦鮮轡潜喪璧 70 1_00 1.02 1.04 1,06 1.08 1.10 m(at30kV) 図9 劣化コイルのm(at30kV)と絶縁破壊電圧 試験電圧2亡＋3 =25kVのl.2倍の電圧30kVのmと破i裏電圧は,比較的良い相関がみられる｡ (角 部) 平 部
二■三†【
トニ
■∴1
ト
平 部 測定電極 (角 部) 図10 コイルの測定電極(主電極)の分割 ｢平部+と｢角部+に分ける｡ 4-0 3.0哀
) 2.0 名 = 【d l.0Ⅰ
▲Ⅰ
工ⅠⅠ
平部 角部 全体 平部 角部 全体 tan あ 』tan ∂ 0.8 0,8垂
0-4 ∠Q 【= てロ て] 0.2 図Ilモデルコイルのtan`ヲ tan∂｡.』tan∂共に角郡のほうが大きく,ぱ らつきの幅も広い｡全体電極では角部の影響がかなり大きい｡ 0 0 90 80 (訳)咄紆轡潜煉要 70 ● ● 0 0.5 1.0 1.5 コイル平部のdtanざ(%) 図I2 劣イヒコイルの平部の』tan∂と絶縁破壊電圧 破壊電圧は,比重交的良い相関がみられる｡ 平部の』tan∂と 部の特性のばらつきが大きいので主電極で測定した特性にば らつきがみられる｡この初期でのdtan∂と破壊電圧との相関 は全くない｡初期特性のばらつきの小さい平部の劣化後の非 破壊測定値と破壊電圧には比較的良い相関がみられる｡匡I12 には一例として』tan∂を示す｡ また図13は13.2kV級コイルに,曲げひずみ0.20%と課電30 kV200時間の複合劣化を加え,AIAによりm-Ⅴ特性をみたも のである｡mの急増電圧Pよ2は｢平部+に現われる｡このように, 劣化コイルの平部に独立した分割電極を設けて測定すること は,相関性の良い絶縁診断を行なうアプローチの一つである｡ 田平行コイルの電位分布
5.t 零位法による測定 発電機固定子巻線のエンド部や核融合装置用コイルの接続 部などで,コロナシールドを施したコイルがわずかなギャッ プをへだてて平行に並ぶ場ノ告がある｡このような箇所でつイ回転機マイカ絶縁の最近の進歩 359 ル間のコロナを発生させない設計を行なうには,ギャップで の電位分布を正確に把握することが重要である｡また,コロ ナシールド上の電圧はその絶対値と位相が同時に変化するの で,2点間の電位差を正確にとらえるには両者を測定する必 要がある｡日立製作所と日並二化成工業株式会社は零位法によ る電位分布の測定を導入して一連の解析を行なった｡ 図川に零位法による電圧分布の測定方法を示す｡零位法で は,電気力線を乱さない程度の細い｢振動片+に別電源から電 圧を与え,振動片が静止するのを望遠鏡で検知し,このとき 別電源の電圧の絶対値と位相差とを読み取り,≡振動片の先端 位置の電圧ベクトルを測定する｡零位法による電位分布の測 定では,非接触で測定でき内部インピーダンスが非常に大き いために誤差が少なく,また振動片の挿入によりギャップ内 の電位分布を点測定することができる｡すなわち,図15に示す ように,A点,B点の電圧を位相差までとらえ正確な電位差を 求めることができる｡図16は零位法によって測定したSiCコ ロナシールド屑の電圧ベクトル分布を示すものである｡ 5.2 平行コイルの表面電位差分布 次に述べる実験では絶縁厚さ4.Ommの｢スーパハイレジン+コ イルを用いて行なった｡図17に示すように,導電性塗料(シル バーペイント)を塗布した主電極とSiC塗料とで構成したコロ ナシールドを設けた2本のコイルを･1F行に並べ,向コイルに 交流50Hz電圧を加えて,コイルのギャップ側表面の電圧ベク 1.0 1.0
0･10I
Pil Pノ2 平部 角部 10 20 V(kV) 30 図1313.2kV級劣化コイルのm一岬寺性 この供試コイルの破壊電圧は. 49-5kV(初期の46%)である｡円2の約2.5倍であるが,P/2は｢平部+に現われる｡ 主電極 コロナシール ♭瑚
娠動片l畦巨三相
図14 電位分布測定方法 振動片に別電源から電圧を与え.静止Lたと きの電圧値と位相を読み取る｡振動片は非接触で,電圧値･位相が対向部と同 じになったとき静止する｡ 0咋(E
V】‡ 叶1 ロ加電圧) y州 (コイルA,B間の電位差) 図15 位相差を考慮Lた電位差 I仏｡lは,同一コイルの治面上の2 点あるいは平行コイルの対向点,A点とB点の電位差となる｡ 1担 ∫(mm) 0 コロナシールド AC30kV 電 圧(kV) 0 5 10 15 20 25 30 Vt60 VIS V120 V30 v50 y80 的00 図16 コイル表面の電圧ベクトル分布 16kV級コイルに交流30kVを 印加して,距離ズでの表面電圧ベクトルレズを測定した｡ 主電極 コロナシールド q-転ヾ斗∴･■ご
li
g ′一､＼J1′
※主ヾ
■
†/㌔+
J 図17 平行コイル 両コイルの主電極のずれがJでギャップがgである｡ トル分布を測定し,これから対向点間の電位差を図形的に求 めた｡図18は主電極端のずれJが15mmで,ギャップgが5mm の場合であるが,コイルAとコイルBのコイル表面間の電位 差は,コロナシールドの付け根付近で最大となり,ここでコ ロナが見られる｡図柑は可視コロナ発生電圧とJ及びgの関 係を示すものであり,ギャップgが狭い場合に電極端のずれ Jが大きくなると,コロナ発生電圧が著しく低下することが 分かる｡gニ15
